高压开关柜温度实时监测系统的设计与实现

1、第24卷第5期2008年9月福建师范大学学报(自然科学版 Jou rnal of Fu jian N o rm al U n iversity (N atu ral Science Editi on V o l 124N o 15Sep t 12008文章编号:100025277(2008 0520049204高压开关柜温度实时监测系统的设计与实现陈成添1, 蔡声镇23, 李汪彪1, 吴允平1(11福建师范大学物理与光电信息科技学院, 福建福州350007,21福建师范大学软件学院, 福建福州350108摘要:采用间接提高金属Cu 、A l 的红外辐射率的方法, 结合单片机技术, 解决了采用红

2、外测温技术测量金属Cu 、A l 温度的自动校准和定标问题, 提高了红外测温的精度, 实现对高压带电导体的实时温度监测, 满足了高压电力系统中电缆接头和开关触点温度进行实时监控的需求.关键词:高压开关柜; 红外测温; 红外辐射率; 自动校准中图分类号:T P 212; T P 274文献标识码:A收稿日期:2008203206基金项目:福建省教育厅基金资助项目(JB06206 ; 福建省科技厅重点项目(2008H 0022 作者简介:陈成添(1982 , 男, 福建宁德人, 硕士研究生, 研究方向:光电检测技术.3通讯作者:cszfjnu1edu 1cnD esign and I m plem

3、 en ta tion of Tem pera ture Rea l -ti m M on itor i ng System for H Sw CHEN Cheng -ti an 1, CA I -b 1, -p (11S chool of P hy sics and Op toE T , uj , F uz hou 350007, Ch ina ;1t F n iversity , F uz hou 350108, Ch ina :B increasing copp er (o r alum inum infrared radiati on and the u se ofSC M logie

4、s , the copp er (o r alum inum calib rati on and au tom atic tem p eratu re calib ra 2ti on p rob lem s are reso lved and the infrared tem p eratu re m easu rem en t accu racy is enhanced . A dditi onally , the h igh 2vo ltage conducto r tem p eratu re real 2ti m e m on ito ring has been real 2ized

5、, w h ich can be u sed in tem p eratu re real 2ti m e m on ito ring fo r the h igh 2vo ltage pow er sys 2tem cab le connecto r and s w itch con tacts .Key words :h igh vo ltage s w itchgear ; infrared tem p eratu re m easu rem en t ; infrared radi 2ance ; au tom atic calib rati on在电力系统中, 高压开关柜的应用非常广

6、泛. 由于电力生产过程中容易出现分、合部件的机械松动、触点的磨损和表面氧化等原因, 导致连接部件或接触部件的接触电阻增大, 在额定工作电流条件下, 极易导致开关柜内导电连接处温度升高, 严重时将出现局部熔焊、产生火花或电弧放电, 最终造成电气设备的损坏, 甚至发生火灾或造成严重的供电事故1. 因此, 对高压开关柜内导电连接处的温度进行实时监测, 保证电力设备的安全运行是至关重要的, 具有重大的现实意义.高压开关柜正常工作时, 其相关连接部件和接触部件均处于高电压(10kV 状态, 对于传统的接触式温度测量方法, 在器件的耐压性能和数据的可靠传输方面均提出了严峻的挑战. 即使采用绝缘性能优异的光

7、纤传感器, 也可能存在光纤表面粉尘污染而产生“污闪”的危险2. 为了保证检测系统安全可靠地实现在高电压环境下的温度实时监测, 本系统采用红外测温技术, 实现对高压带电物体温度的非接触式测量, 很好地解决了接触式测温方法和光纤传感器测温方法所存在不足. 由于在相同的温度环境下, 不同物体在红外波段的辐射能量存在一定差异, 尤其是金属和非金属的差异较大3, 因此, 解决金属Cu 或A l 的温度定标问题是实现本系统设计的关键. 本文采用在与静触点连接的Cu 排(或A l 排 附近套上热缩胶套, 实现间接增大Cu 排(或A l 排 的红外线辐射率, 然后通过大量的实验获取相应的校正系数, 结合单片机

8、强大的数据处理能力, 实现自动校准和定标的功能, 较好地满足了实际测量的需求.1硬件系统设计本系统主要由P I C 单片机P I C 18L F 、红外温度数据采集模块V T I R -3816、定标参考数据采集电路18B 20和无线通信模块N R F 905组成(见图1 .图111P I C 单片机考虑到开关柜内部强大的电、磁场环境和系统的需求,选用抗电磁干扰能力强的P I C 单片机P I C 18L F 作为中央处理器. P I C 18L F 集成了10位AD 转换器及SP I 接口模块, 具有32K 的程序存诸空间、1536字节的数据存诸空间及256字节的EEPROM , 不仅符合系

9、统的应用需求, 还可以大大简化外围电路.路的滤波和放大处理后, 直接经P I C 18L F 内部A D , (现场 温度数据通过P I C 18L F 进行比较处理, . 此外, 无线通信模块在P I C , , 实现测.112, 是故障诊断准确与否的关键4. 本模块中选用的是光谱响应波段为814m 热电堆红外传感器V T I R 23816. 该波段可以有效避免大气尘埃和水汽对红外线传输中的衰减, 可有效滤除因杂散光产生的噪声以及环境温度突变引起的输出信号漂移, 具有很强针对性的红外辐射探测能力5. V T I R 23816的距离系数比为101, 本项目的测量对象是10kV 高压开关柜,

10、 柜内Cu (或A l 排的宽度为80150mm , 因此传感器安装在距被测物体表面8001500mm 的位置上, 该距离大于10kV 电气安全距离700mm 6, 可满足绝缘和电气安全的要求.该红外传感器的输出为较弱的双极性电流信号, 需经过调理放大之后, 获得AD 转换所需的单极性电压信号.113定标参考数据采集电路采用测温性能稳定的18B 20数字温度传感器作为本模块电路的核心. 18B 20数字温度传感器的工作电压为310515V , 测量范围为-55+125, 测量精度在-10+85范围内为±015, 输出为数字信号, 抗干扰能力强, 且不需要外部元件, 符合本系统设计的需

11、求.114无线通信模块无线通信模块N R F 905共有3个频段:433 868 915M H z , 工作电压为217313V , 采用FSK G M 2SK 调制方式, 最大输出功率为+10dBm , 硬件集成CRC 校验功能, 最大工作速率可达7218Kb it s , 满足本系统设计需求, 该模块的使用, 可大大简化现场的布线安装及维护.2系统软件设计系统软件主要由主程序和中断程序构成. 系统主程序如图2所示, 主要包括定时AD 转换、温度数据显示、报警判断及处理模块.中断采用优先级处理方式, 如图3所示, 主要实现系统的定时处理、无线数据通信及串口通信的响应.05福建师范大学学报(自

12、然科学版 2008年 图2 主程序流程图图3中断程序流程图3温度的标定和校正311间接增大红外辐射率的方法影响红外测温精度的因素比较多, , 率、背景辐射、大气衰减、测量距离7. , Cu 排(或A l 排 . 而对于表面抛光的Cu , A l 17100之间变化时, Cu ( l , 40mV 的变化量(10, 理想情况下的分辨率约为511, 若考, . 本文采用在与静触点连接的Cu 排(或A l 排 附, 间接增大Cu 排(或A l 排 的红外线辐射率, 图5所示测量结果表明:红外传感器输出电压变化量为467mV , 相同条件下的分辨率约为0143, 比直接测量提高10倍以上, 同时系统基

13、本保持线性特性.图4裸Cu 排温度与红外传感器输出电压的关系图5有热缩胶套Cu 排温度与红外传感器输出电压的关系312误差的原因及校正测量误差的原因主要有传感器之间的差异性、传感器的非线性, 采用间接增大红外辐射率的方法引起的测量误差和系统误差等, 这些误差均需要进行必要的校正. 为了获得准确的校正系数, 首先对测量系统的特性进行测试. 图5的数据表明传感器具有较好的直线性, 在温度测量范围内, 传感器输出电压范围约为014112V 之间, 只要选择合适的基准电压, AD 转换器的非线性影响可以忽略不计, 即可认为系统具有良好线性特性. 因此, 只需在测量范围内任选两点按照线性方程T =aU

14、+b(1 进行校正, 式中T 为校正后的温度数据, U 为传感器输出的温度数据, a 、b 是校正系数. 校正时可以用现场实际温度数据T 1、T 2替代校正后的测量数据, 对应传感器输出的温度数据为U 1、U 2, 将T 1、U 1和T 2、U 2分别代入式(1 , 可得T 1=aU 1+b ,(2 15第5期陈成添等:高压开关柜温度实时监测系统的设计与实现T 2=aU 2+b . (3联立式(2 、(3 可得:a =U 1-U 2, b =T 2U 1-T 1U 2.313温度的定标图6温度对比实验由上述对测量温度校正系数的推导过程可知, 温度的定标取决于T 1、T 2是否反映Cu 排(或A

15、 l 排 温度的实际值, 因此选用测温性能稳定、精度较高的数字式温度传感器D S 18B 20. 实验时将其紧贴于Cu 排(或A l 排 表面, 以获取Cu 排(或A l 排的实际温度值, 然后将红外传感器对准Cu 排(或A l 排 套有热缩胶套的部位, 用恒温箱进行温度的调节, 待充分热平衡后进行测量. 图6所示实验数据表明, 在测量范围内, 本系统的绝对测量误差310, 可以满足高压电力系统中温度在线监测精度的要求.在实际应用中, T 2、U 2是系统在环境温度为100时测得并保存在系统中的已知数据; 环境温度测量传感器D S 18B 20安装于控制电路板上, 故温度的定标操作必须在高压开

16、关柜启用前进行, 排(或A l 排 的温度与环境温度一致的条件下进行, . 4结束语I L 单片机和V T I R -3816红外测温传感器构成, 采用在l , 间接增大Cu 排(或A l 排 的红外辐射率, 然后利用, 将检测数据与现场环境温度进行比对获得测量温度的校正系数, 实现测量系统的自动定标和线性校正. 实验结果表明, 该系统的测温范围为0120, 绝对测量误差310, 并且具有温升速率的检测和报警功能, 满足高压开关设备对分、合部件和接头温度进行实时监测的需求.参考文献:1张艳, 田竞, 叶逢春, 等.基于红外传感器的高压开关柜温度实时监测网络的研制J . 高压电器, 2005, 41(2 :91-94.2贺博, 林辉. 基于泄漏电流的污秽绝缘子闪络风险预测J . 高电压技术, 2006, 32(11 :22-24.3陈鹏飞, 胡运彪. 提高红外测温仪的测量准确度J . 石油化工应用, 2006(2 :45-47.4杨武, 丁丹, 荣命哲, 等. 高压开关柜的在线监测和故障诊断J . 电工技术杂志, 2001(